ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΜΗΧΑΤΡΟΝΙΚΗ

Transcript

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΜΗΧΑΤΡΟΝΙΚΗ Ηλεκτρονική Αισθητήρια Ενεργοποιητές Μικροεπεξεργαστές και έλεγχος Βασικά Κυκλώµατα µε παθητικά στοιχεία: Νόµος του Ωµ R,L,C ιαιρέτης Τάσης Κύκλωµα RC µε διακόπτη L και C ως φίλτρα Ψηφιακά Κυκλώµατα: υαδικό σύστηµα Άλγεβρα Bool Πύλες, Ακολουθιακά κυκλώµατα Κυκλώµατα Ειδικής Λειτουργίας: Απαριθµητές Αποκωδικοποιητές 555 A/D Μετατροπείς Αναλογικά Κυκλώµατα: Si, Ge ίοδος, φωτοδίοδος SCR Transistor, FEΤ, φωτοτρανζίστορ Τελεστικός Ενισχυτής Παραδείγµατα εφαρµογών κυκλωµάτων διόδου τρανζίστορ Ασθενή ηλεκτρονικά κυκλώµατα Ισχυρά ηλεκτρονικά κυκλώµατα Σύνδεση Ελεγκτές, αισθητήρια Ενεργοποιητές 1

2 Ηλεκτρονική Αισθητήρια Ενεργοποιητές Μικροεπεξεργαστές και έλεγχος Μέτρησης θέσης και ταχύτητας: Ποτενσιόµετρο ιακόπτες προσέγγισης ιαφορικός µετασχηµατιστής γραµµικής µεταβολής Ψηφιακός οπτικός κωδικοποιητής Μέτρηση θερµοκρασίας: Γυάλινο θερµόµετρο ιµεταλλική ταινία Θερµόµετρο ηλεκτρικής αντίστασης Θερµοζεύγη (κατάλογος uteco) Μέτρηση κραδασµών και επιτάχυνσης: Πιεζοηλεκτρικά επιταχυνσιόµετρα Μέτρηση µηχανικής τάσης και παραµόρφωσης: Μηκυνσιόµετρα υναµοκυψέλες 2 µαθήµατα Ηλεκτρονική Αισθητήρια Ενεργοποιητές Μικροεπεξεργαστές και έλεγχος Ηλεκτρικοί κινητήρες: Μόνιµου µαγνήτη DC (PM) παράλληλης διέγερσης, διέγερσης σειράς, σύνθετης διέγερσης Βηµατικοί κινητήρες Brushless Dc Servo κινητήρες Κυκλώµατα και διατάξεις οδήγησης κινητήρων Υδραυλικοί ενεργοποιητές Πνευµατικοί ενεργοποιητές 2

3 Ηλεκτρονική Αισθητήρια Ενεργοποιητές Παραδείγµατα στο multisim Μικροεπεξεργαστές και έλεγχος Αλγόριθµοι ελέγχου Έλεγχος ανοιχτού βρόχου Αναλογικός έλεγχος Ψηφιακός έλεγχος Έλεγχος κλειστού βρόχου 2 µαθήµατα Ηλεκτρονική ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ ΠΥΚΝΩΤΕΣ Φόρτιση-Εκφόρτιση Πυκνωτή ΙΟ ΟΙ Τρανζίστορ Τελεστικοί ενισχυτές Ψηφιακά Κυκλώµατα: υαδικό σύστηµα Άλγεβρα Bool Πύλες, Ακολουθιακά κυκλώµατα 3

4 2 µαθήµατα ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ Νόμος του Ohm : I=V/R Συμβολισμοί αντιστάσεων: Ω=Ohm R=Resistance=Ω k=kilo=10 3 =1.000Ω M=Mega=10 6 = Ω G=Giga=10 9 = Ω 4

5 ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ 17W 3.9Ω ±10% 10W 47ΚΩ ±5% 5W 0.47Ω ±5% 3W 68ΚΩ ±5% 2W 68Ω ±5% 1/2W 560ΚΩ ±5% 1/4W 2.2ΚΩ ±1% 1/8W 22ΚΩ ±0.5% ΠΟΛ/ΣΤΗΣ ΑΝΟΧΗ 5

6 ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ Σταθερές ή γραμμικές (η τιμή τους έχει ορισθεί από τον κατασκευαστή) Μεταβλητές (ο χρήστης μπορεί να μεταβάλει την τιμή τους σε προκαθορισμένα όρια) Μεταβαλλόμενες ή μη γραμμικές (η τιμή τους μεταβάλλεται συναρτήσει άλλου φυσικού μεγέθους π.χ. θερμοκρασία, φως, τάση, μαγνητισμός κ.α. ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ Κυκλικές Ελικοειδείς Ευθύγραµµες 6

7 ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ A Σύρµατος 3W Trimmer B Ανοικτό, µικρό, οριζόντιο 0.1W ή Συµβολισµοί ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ I=V/R Προς κύκλωµα Από κύκλωµα 7

8 ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ I=V/R Από κύκλωµα Προς κύκλωµα ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ Δεν ακολουθούν τον νόμο του Ohm: 1. Θερμίστορ 2. Φωτοαντιστάσεις 3. Βαρίστορ 8

9 ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ Αντιστάσεις πολύ ευαίσθητες στις μεταβολές της θερμοκρασίας. Δύο τύπων: PTC (θετικού συντελεστή θερμοκρασίας). Η αντίσταση αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας NTC (αρνητικού συντελεστή θερμοκρασίας). Η αντίσταση μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας ο t ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ Αντιστάσεις ευαίσθητες στις μεταβολές του φωτός Σκοτάδι: R 1-100MΩ Φως: R 100Ω Χρήση σε συναγερμούς, προειδοποίηση κ.α. 9

10 ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ Είναι αντίσταση που η τιμή της μεταβάλλεται ανάλογα με την τάση που εφαρμόζεται στα άκρα τους Προστατεύουν τα κυκλωµάτα από υπερτάσεις. Ενσωµατώνονται στα κυκλώµατα µε τέτοιο τρόπο ώστε σε περίπτωση απότοµης αύξησης της τάσης αυξάνουν την αντίστασή τους, αποµακρύνοντας το υψηλό ρεύµα που δηµιουργείται, από τα ευαίσθητα στοιχεία του κυκλώµατος ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ Βλάβες ιακοπή Αλλαγή τιµής της αντίστασης Κάψιµο Θόρυβος Έλεγχος Άπειρη αντίσταση Μικρότερη ή µεγαλύτερη αντίσταση Καρβουνιασµένη 10

11 ΠΥΚΝΩΤΕΣ Πυκνωτής λέγεται το στοιχείο που σχηματίζεται από δύο αγώγιμες πλάκες (οπλισμούς) που χωρίζονται μεταξύ τους με κάποιο μονωτικό υλικό (διηλεκτρικό). Μπορεί να συγκρατεί ηλεκτρικό φορτίο όταν εφαρμοστεί τάση στα άκρα του. Η ικανότητα αυτή ονομάζεται χωρητικότητα. 11

12 ΠΥΚΝΩΤΕΣ C 1 C 2 Cολ = C1C 2 C + C 1 2 ΠΥΚΝΩΤΕΣ C 1 C 2 C ολ = C 1 + C 2 12

13 ΠΥΚΝΩΤΕΣ C1 C2 10µF 15µF Cολ 6µF C1 22µF C2 Cολ 90µF 68µF ΠΥΚΝΩΤΕΣ Μονάδα είναι το Farad και επειδή ως μονάδα είναι πολύ μεγάλη για εφαρμογές χρησιμοποιούνται τα: μf (10-6 F) nf (10-9 F) pf (10-12 F) 13

14 ΠΥΚΝΩΤΕΣ Σε συνεχές ρεύμα (DC)αποτελεί διακοπή (πλην αρχικής φόρτισης) Σε εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) φορτίζεται-εκφορτίζεται Κατά την αλλαγή της φοράς του ρεύματος δημιουργείται μια αντίσταση που ονομάζεται χωρητική αντίσταση Χc=1/(2πfC) ΠΥΚΝΩΤΕΣ Axial Radial Μεγάλη χωρητικότητα σε μικρό μέγεθος Ελάχιστη διαρροή ρεύματος Μεγάλη διάρκεια ζωής Ταχύτητα κατά την φόρτιση και εκφόρτιση Πολικότητα Διαρροή που παρουσιάζουν Αυξομείωση χωρητικότητας που κυμαίνεται ανάλογα με την θερμοκρασία λειτουργίας και την ηλικία του πυκνωτή 14

15 ΠΥΚΝΩΤΕΣ Κεραµικοί πυκνωτές Πυκνωτές Τανταλίου Πυκνωτές φιλµ πολυστερίνης Πυκνωτές πολυεστερικού φιλµ Πυκνωτές διπλής στρώσης (Super Capacitors) Πυκνωτές Πολυπροπυλενίου Πυκνωτές Μίκας ΠΥΚΝΩΤΕΣ ΠΛΑΣΤΙΚΟΙ ΠΟΛΥΕΣΤΕΡΑ ΦΑΚΗΣ 15

16 ΠΥΚΝΩΤΕΣ Βραχυκύκλωµα: Μπορεί να δηµιουργηθεί µε µηχανικό τρόπο ή όταν εφαρ- µοστεί στα άκρα του πυκνωτή τάση µεγαλύτερη από την τάση λειτουργίας του πυκνωτή. Ο βραχυκυκλωµένος πυκνωτής είναι άχρηστος και πρέπει να αντικατασταθεί. ιαρροή: ηµιουργείται µε πολλούς τρόπους, όπως µε την ψηλή θερµοκρασία, µε την όχι καλή ποιότητα του διηλεκτρικού, µε την κακή µόνωση µεταξύ των δυο οπλισµών του πυκνωτή κ.ά. Μεταβολή χωρητικότητας: Μπορεί να δηµιουργηθεί µε την µηχανική καταπόνηση της επιφάνειας του πυκνωτή (κτύπηµα). Ακόµη µεταβάλλεται η χωρητικότητα όταν ο πυκνωτής µείνει αχρησιµοποίητος για πολύ καιρό. ιακοπή: Όταν µε οποιονδήποτε τρόπο ξεκολλήσει ένας ακροδέκτης από τους οπλισµούς του πυκνωτή. 16

17 Μετά το κλείσιμο του διακόπτη: a) Ο πυκνωτής φορτίζεται μέσο της αντίστασης R. b) Δημιουργία μιας πτώσης τάσης στα άκρα της αντίστασης c) Με την πάροδο του χρόνου ο πυκνωτής C φορτίζεται στην τάση της πηγής Η ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου σε ένα πυκνωτή μετριέται σε COULOMB με τη σχέση Q=CV. Vc(t)=Vs * (1-e -t/rc ) Όπου T=RC η σταθερά χρόνου του κυκλώματος (αποτελεί το χρόνο για να φθάσει η τάση στα άκρα του πυκνωτή το 63,2% της τάσης της πηγής με C: Farad και T:Sec. Περίπου σε 4T έχει προσεγγίσει την τάση της πηγής) 17

18 Το ρεύμα που ρέει στο κύκλωμα Ιc=(Vs /R)* e -t/rc ) Τάση στα άκρα της αντίστασης ακολουθεί και αυτή εκθετική μορφή: V R (t)=vs *e -t/rc Μετά το κλείσιμο του διακόπτη: a) O πυκνωτής θα εκφορτιστεί μέσω της αντίστασης R b) Το ρεύμα εκφόρτισης είναι ακριβώς το αντίθετο του ρεύματος φόρτισης c) Αντίθετη είναι και η τάση πάνω στην αντίσταση V R =-V c d)η τάση του πυκνωτή, η τάση της αντίστασης και το ρεύμα τείνουν στο 0. Σταθερά εκφόρτισης ονομάζουμε τον χρόνο που απαιτείται, για να πέσει η τάση στον πυκνωτή στα 36,7% περίπου της τάσης που είχε ο πυκνωτής κατά τη χρονική στιγμή t=0 T=RC (sec) 18

19 Vc=Vs*e -t/rc Τυπικές τάσεις φόρτισης και εκφόρτισης πυκνωτή 19

20 Τυπικές τάσεις φόρτισης και εκφόρτισης πυκνωτή Άλλες ιδιότητες κυκλωμάτων με πυκνωτές Ο πυκνωτής σαν Ολοκληρωτής (Φίλτρο χαμηλών συχνοτήτων) Συχνότητα αποκοπής Ο πυκνωτής σαν Διαφοριστής Φίλτρο υψηλών συχνοτήτων 20

21 ΙΟ ΟΙ ΙΟ ΟΙ Δίοδος είναι ένα ημιαγωγό στοιχείο με δύο πόλους: την άνοδο και την κάθοδο Για την κατασκευή των διόδων χρησιμοποιούνται υλικά όπως Ge και Si Χρήση διόδων: ανορθωτές, ταλαντωτές, σταθεροποιητές τάσης, ψαλιδιστές κ.α. 21

22 ΙΟ ΟΙ p n Α Κ Ορθή πόλωση: Θετικότερη τάση στην άνοδο. Άγει η δίοδος για θετικότερη τάση κατά 0.4V (Ge) και για 0.7V (Si). Ανάστροφη πόλωση: Θετικότερη τάση στην κάθοδο. ΙΟ ΟΙ Είδη διόδων ίοδος επαφής ίοδος ακίδας ίοδος zener ίοδος σήραγγας ίοδος varactor ή varicap Φωτοδίοδος ίοδος led/display 22

23 ΙΟ ΟΙ Ανόρθωση εναλλασσόμενης τάσης Έλεγχος της φοράς του ρεύματος (σε κινητήρες) Ψαλιδισμός σημάτων Για την σταθεροποίηση της τάσης Απλή ανόρθωση ΙΟ ΟΙ 23

24 Διπλή ανόρθωση ΙΟ ΟΙ ΙΟ ΟΙ Κατασκευάζεται από πυρίτιο (Si). Λειτουργεί κατά την ανάστροφη πόλωση. Στην ορθή πόλωση λειτουργεί σαν απλή δίοδος. Χρησιμοποιείται σε κυκλώματα σταθεροποίησης τάσης 24

25 ΙΟ ΟΙ Θυρίστορ (Silicon Controlled Rectifier) Λειτουργεί σαν την απλή δίοδο μόνο που για να λειτουργήσει απαιτείται έναυση στην πύλη (Gate) Χρησιμοποιείται για: Ανόρθωση μεγάλων εναλλασσομένων ρευμάτων Έλεγχος ισχύος για DC και AC σε βιομηχανικές εφαρμογές και συστήματα ελέγχου Σε συστήματα συναγερμών 25

26 Το τρανζίστορ σαν διακόπτης Κέρδος ρεύματος τρανζίστορ h fe :κέρδος ρεύματος του τρανζίστορ Ιc= h fe I B Ζεύγος Darlington: δίνει υψηλό κέρδος ρεύματος (τουλάχιστον 10000), ώστε ένα πολύ μικρό ρεύμα στη βάση να είναι ικανό να «ανοίξει» το τρανζίστορ 26

27 Σχέση ρεύματος βάσης (Β) και ρεύματος συλλέκτη (C) Εξασφαλίζοντας ένα μικρό ρεύμα στην βάση (Β) πετυχαίνουμε ένα μεγάλο ρεύμα στον συλλέκτη ( C) του τρανζίστορ Ιc= h fe I B Αν h fe =100 τότε Ιc= 100I B Το τρανζίστορ σαν διακόπτης 27

28 Τρανζίστορ για την ενεργοποίηση ενός Ρελέ 28

29 Άσκηση στο εργαστήριο Όταν υπάρχει επαρκής φωτισµός η Αντίσταση LDR γίνεται πολύ µικρή η τάση στην βάση του τρανζίστορ (Β) προσεγγίζει τα 0Volt και το τρανζίστορ γίνεται OFF Όταν υπάρχει επαρκής φωτισµός η Αντίσταση LDR γίνεται πολύ µικρή, η τάση στην βάση του τρανζίστορ (Β) προσεγγίζει την Vs και το τρανζίστορ γίνεται ΟΝ Τυπικά σχέδια 29

30 Δυαδικά ψηφία 30

31 Παραθέσεις ψηφίων??? 31

32 Προσέγγιση της ψηφιακής λογικής με ηλεκτρικά κυκλώματα Στα ψηφιακά κυκλώµατα που ουσιαστικά αναπαράγουν την ψηφιακή λογική, οι διακεκριµένες τιµές δεν είναι ποτέ 0 και 1. Ανάλογα µε την οικογένεια ολοκληρωµένων κυκλωµάτων που χρησιµοποιούν (TTL ή CMOS) το low παίρνει τιµές από 0 έως 1,5 Volt και το high κυµαίνεται µεταξύ 2,8 και 5 Volt. Ψηφιακές πύλες 32

33 Πύλες AND, OR, NOT Πύλη NAND 33

34 Πύλη NOR Πύλη X-OR 34

35 Άλγεβρα BOOL και θεώρημα De Morgan Άσκηση 1 Για τα ακόλουθα κυκλώµατα να βρεθούν οι δυαδικές εκφράσεις που συνδέουν τις εισόδους (Α, Β) µε τις εξόδους και να κατασκευαστεί σε κάθε περίπτωση ο πίνακας αλήθειας 35

36 Άσκηση 2 Άσκηση 3 36

37 Άσκηση 4 BCD inputs segment outputs D C B A a b c d e f g display Χρήσιμες διευθύνσεις DATASHEETS ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΙ ΠΡΑΞΗ ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΙ ΠΡΑΞΗ Οι σηµειώσει υπάρχουν στην διεύθυνση: z.html 37

38 Raster για την κατασκευή κυκλωμάτων 38